[发明专利]一种固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型能源、材料加工和电力领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法。

背景技术

能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33～35％，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35％左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。

固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它还有其它燃料电池所不具备的优点：1)、无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；2)、在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50％提高到70％以上。当操作温度大于850℃时，电池的尾气可以与热机(Gas Turbine)相结合而对余热进行综合利用，此时燃料电池的能量综合利用率可高达80％以上，所以高温固体氧化物燃料电池适合应用在MW级大型发电站；3)、它的燃料适用范围广，燃料不仅能用H₂，还可直接用CO、天然气(甲烷)、煤汽化气，碳氢化合物、NH₃、H₂S等作燃料。

但是传统的SOFC的操作温度高达1000℃。如此高的操作温度可确保电解质足够高的氧离子电导率及阴极对氧具有良好的催化活性，然而也引入了一系列的问题：促进多孔电极的烧结，加速电极与电解质之间的界面相反应从而大大增加了电池的界面极化电阻，同时对电池的密封和双极板材料及电池的附属设备提出了苛刻的要求。目前国际上普遍认为燃料电池的操作温度降低是决定SOFC在实际中得以应用的关键。当燃料电池的操作温度降至800℃以下，就可以采用金属连接体，从而大大降低电池的材料成本，同时降低了电池组件之间的相反应速率，同时电池组件热膨胀系数不同对电池稳定性的影响也变小，使得密封变得容易。

然而随着温度的降低，常规电解质支撑的SOFC的电解质欧姆电阻和电极极化电阻急剧增大，导致电池的功率密度快速下降。为了保证在低温下也具有高的功率密度，开发新型的在低温下具有高活性低极化电阻的阴极材料成为必要。由于氧的活化是一个较为困难的过程，开发新型低温高活性阴极材料已成为研究的热点。目前研究最多的是钙钛矿型陶瓷材料，使用这类不仅可以降低成本还可延长阴极的使用寿命。在这类材料中加入少量的贵金属如Pt、Pd等可进一步提高阴极对氧气还原的催化性能。但长时间的高温操作会使贵金属颗粒烧结，导致阴极的极化电阻迅速上升。因此如何提高贵金属催化剂的稳定性对于延长燃料电池的使用寿命十分的关键。

发明内容：

本发明的目的是为了提高阴极贵金属催化剂的氧催化还原活性及稳定性，而提供了一种可“呼吸”的固体氧化物燃料电池阴极材料，本发明的另一目的是提供上述材料的制备方法，本发明还提供了含有上述材料的阴极催化层。本发明的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池的阴极材料，其特征在于所述材料的化学式为M_xA_1-xM’_yB_1-yO_3-δ。

其中M和M’选自Ag、Pt、Pd、Ru和Rh中的一种或两种的任意比例的组合，M和M’为不同元素；

A至少为La、Sm、Gd、Ce、Nd、Pr、Dy、Er、Ba、Sr、Ca、Bi、Y、Yb中的一种；

B至少为Mn、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Sc、Nb、Sb、Mo、V、Ti、Zn、Zr、Ce、Y、Pb、Al中的一种；

0≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0≤δ≤0.7，x与y不同时为0，δ为氧空穴浓度。